اصلاح شیمیایی نانوالیاف سلولزی و تاثیرات آن بر آب‌گریزی و پراکندگی آنها

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 فارغ التحصیل کارشناسی ارشد، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

2 دانشیار، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

3 استادیار، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

4 دانشیار، تهران، سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی ایران، پژوهشکده فناوری‌های شیمیایی، تهران، ایران

چکیده

نانوالیاف سلولزی قابل استخراج از گیاهان چوبی و غیرچوبی شامل مزایایی زیادی همچون دانسیتة کم، قابلیت دسترس‌‌پذیری بالا، زیست‌‌تخریب پذیری، تجدیدپذیری و ویژگی‌های مکانیکی مناسبی در مقایسه با فیبرهای مصنوعی می‌‌باشند و در سال‌های اخیر علاقمندی به استفاده از آنها در چندسازه‌های سبز، به‌ویژه به‌عنوان تقویت‌‌کنندة فاز زمینة پلیمری در نانوچندسازه‌‌ها افزایش یافته است. حضور گروه‌های قطبی هیدروکسیل در نانوالیاف سلولزی سبب ایجاد آب‌دوستی شدید و پراکندگی غیریکنواخت آنها در محیط‌های غیرقطبی می‌شود. هدف از انجام این پژوهش، بهبود پراکندگی و خاصیت آب­گریزی نانوالیاف سلولزی با استفاده از اصلاح شیمیایی آنها است. بدین منظور در این تحقیق، نانوالیاف سلولزی حاصل از خمیرکاغذ شیمیایی پوست کنف با انیدرید استیک استیله و اصلاح شدند و خواص آنها مطالعه شد و با نانوالیاف سلولزی بکر مقایسه شد. در بخش نتایج، اصلاح گروه‌‌های هیدروکسیل و جایگزینی بخشی از آنها با گروه‌‌های استری توسط طیف‌سنجی FT-IR تایید و درجة استخلاف نانوالیاف سلولزی استیله‌‌شده در شرایط استفاده­شده با روش تیتراسیون 22/0 تعیین شد. همچنین، شاخص بلورینگی، زاویة تماس دینامیکی و پایداری حرارتی (TGA) نانوالیاف قبل و بعد از اصلاح بررسی و مقایسه شدند. آنالیز X-Ray کاهش شاخص بلورینگی را پس از انجام اصلاح شیمیایی نشان داد و با توجه به نتایج زاویة تماس، سطوح نانوالیاف از حالت آب‌دوستی به آب‌گریزی بیشتر تغییر حالت دادند. به‌علاوه، آزمون TGA افزایش میزان پایداری حرارتی نانوالیاف­های اصلاح‌شده را نشان داد. نهایتا در بررسی پراکنش نانوالیاف در حلال‌های آلی اتانول و استون نشان داد که استیلاسیون با درجة استخلاف ایجادشده برای ایجاد پراکندگی بهتر و ماندگارتر نانوالیاف اصلاح‌شده در محیط‌های مذکور مناسب است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Chemical Modification of Cellulose Nanofibers and its Impact on their Hydrophobicity and Dispersibility

نویسندگان [English]

  • Mehran Babaee 1
  • Yahya Hamzeh 2
  • Mehdi Jonoobi 3
  • Alireza Ashori 4
1 Graduated M.Sc., Department of Wood and Paper Science and Technology, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran
2 Associate Professor, Department of Wood and Paper Science and Technology, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran
3 Assistant Professor, Department of Wood and Paper Science and Technology, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran
4 Associate Professor, Department of Chemical Technologies, Iranian Research Organization for Science and Technology (IROST), P.O. Box: 15815-3538., Tehran, Iran
چکیده [English]

Cellulose nanofibers (CNF) which isolated from wood and non woody plants have attractive advantages comparing with the synthetic fibers, some of the most relevant being the following: low density, renewable sources, biodegradability, availability, and high specific mechanical properties. Recently, the use of CNF in green materials, especially as reinforcement in different polymers has been increased greatly. However, the existence of the hydroxyl groups on the CNF surface leads to high hydrophilicity and limited dispersibility of CNF in non- polar polymers. In this study, the chemical modification has been used to enhance the hydrophobicity and dispersibility of CNF in non-aqueous mediums. Therefore, isolated CNF from Kenaf bast fibers was acetylated with acetic anhydride to obtain acetylated cellulose nanofibers (ACNF). The properties of both acetylated and non-acetylated nanofibers were studied. FTIR analysis was used to confirm the replacement of hydroxyl groups with acetyl groups. The degree of substitution was calculated by using titration method and it was found to be 0.22. XRD analysis indicated crystalinty index of ACNF decreased compared to untreated CNF. The dynamic contact angle measurement showed that the hydrophilic surfaces of CNF become more hydrophobic due to the partial acetylation. In addition, TGA results clearly demonstrated an increase in thermal stability of acetylated nanofibers. The study of the dispersion illustrated that acetylated cellulose nanofibers formed stable, well-dispersed suspensions in both acetone and ethanol.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Acetylation
  • anhydride acetic
  • Cellulose nanofibers
  • chemical modification
  • dispersibility
[1]. Habibi, Y., Lucia, L.A., and Rojas, O.J. (2010). Cellulose nanocrystals: chemistry, self-assembly, and applications. Chemistry Review, 110: 3479–3500.

[2]. Siró, I., and Plackett, D. (2010). Microfibrillated cellulose and new nanocomposite materials: a review. Cellulose, 17: 459-494.

[3]. Abdul Khalil, H., Bhat, A., and Ireana Yusra A. (2102). Green composites from sustainable cellulose nanofibrils: A review. Carbohydrate Polymers, 87: 963-979.

[4]. Tserki, V., Zafeiropoulos, N., Simon, F., and Panayiotou, C A. (2005). Study of the effect of acetylation and propionylation surface treatments on natural fibres. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 36: 1110-1118.

[5]. Li, X., Tabil, LG., and Panigrahi, S. (2007). Chemical treatments of natural fiber for use in natural fiber-reinforced composites: a review. Journal of Polymers and the Environment, 15: 25-33.

[6]. Stenstad, P., Andresen, M., Tanem, BS., and Stenius, P. (2008). Chemical surface modifications of microfibrillated cellulose. Cellulose, 15: 35-45.

[7]. Zimmermann, T., Bordeanu, N., and Strub, E. (2010). Properties of nanofibrillated cellulose from different raw materials and its reinforcement potential. Carbohydrate Polymers, 79: 1086-1093.

[8]. Özgür Seydibeyoğlu, M., and Oksman, K. (2008). Novel nanocomposites based on polyurethane and micro fibrillated cellulose. Composites Science and Technology, 68: 908-914.

[9]. Jonoobi, M., Harun, J., Mathew, AP., and Oksman, K. (2010). Mechanical properties of cellulose nanofiber (CNF) reinforced polylactic acid (PLA) prepared by twin screw extrusion. Composites Science and Technology, 70: 1742-1747.

[10]. Bismarck, A., Aranberri Askargorta, I., Springer, J., Lampke, T., and Wielage, B., Stamboulis, A., Shenderovich, I., and Limbach, H.H. (2002). Surface characterization of flax., hemp and cellulose fibers; surface properties and the water uptake behavior. Polymer Composites, 23: 872-894.

[11]. Hu, W., Chen, S., Xu, Q., and Wang, H. (2011). Solvent-free acetylation of bacterial cellulose under moderate conditions. Carbohydrate Polymers, 83: 1575-1581.

[12]. Nogi, M., Abe, K., Handa, K., Nakatsubo, F., Ifuku, S., and Yano, H. (2006). Property enhancement of optically transparent bionanofiber composites by acetylation. Applied Physics Letters, 89: 233123.

[13]. Jonoobi, M., Harun, J., Shakeri, A., Misra, M., and Oksman K. (2009). Chemical composition, crystallinity, and thermal degradation of bleached and unbleached kenaf bast (Hibiscus cannabinus) pulp and nanofibers. BioResources, 4(2) : 626-639.

[14]. Bulota, M., Kreitsmann, K., Hughes, M., and Paltakari, J. (2012). Acetylated microfibrillated cellulose as a toughening agent in poly (lactic acid). Journal of Applied Polymer Science, 126: E449-E458.

[15]. Luo, J., and Sun, Y. (2006). Acetylation of cellulose using recyclable polymeric catalysts. Journal of Applied Polymer Science, 100: 3288-3296.

[16]. Segal, L., Creely, J., Martin, A., and Conrad, C. (1959). An empirical method for estimating the degree of crystallinity of native cellulose using the X-ray diffractometer. Textile Research Journal, 29: 786-794.

[17]. Holzwarth, U., and Gibson, N. (2011). The Scherrer equation versus the 'Debye-Scherrer equation'. Nature Nanotechnology, 6(9):534-534.

[18]. Jonoobi, M., Harun, J., Mathew, AP., Hussein, MZB., and Oksman, K. (2010). Preparation of cellulose nanofibers with hydrophobic surface characteristics. Cellulose 17: 299-307.

[19]. Cetin, NS., Tingaut, P., Özmen, N., Henry ,N., Harper, D., Dadmun, M., and Sebe, G. (2009). Acetylation of cellulose nanowhiskers with vinyl acetate under moderate conditions. Macromolecular Bioscience, 9: 997-1003.

[20]. Adebajo, MO., and Frost, RL. (2004). Infrared and 13C MAS nuclear magnetic resonance spectroscopic study of acetylation of cotton. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 60: 449-453.

[21]. Ifuku, S., Nogi, M., Abe, K., Handa, K., Nakatsubo, F., and Yano, H. (2007). Surface modification of bacterial cellulose nanofibers for property enhancement of optically transparent composites: dependence on acetyl-group DS. Biomacromolecules, 8(6): 1973-1978.

[22]. Hu, W., Chen, S., Xu, Q., and Wang, H. (2011). Solvent-free acetylation of bacterial cellulose under moderate conditions. Carbohydrate Polymers, 83: 1575-1581.

[23]. Kim, D-Y., Nishiyama, Y., and Kuga, S. (2002). Surface acetylation of bacterial cellulose. Cellulose, 9: 361-367.

[24]. Tingaut, P., Zimmermann, T., and Lopez-Suevos F. (2009). Synthesis and characterization of bionanocomposites with tunable properties from poly (lactic acid) and acetylated microfibrillated cellulose. Biomacromolecules, 11: 454-464.

[25]. Yang, Z., Xu, S., Ma, X., and Wang, S. (2008). Characterization and acetylation behavior of bamboo pulp. Wood Science and Technology, 42: 621-632.

[26]. Nada, A-A., Kamel, S., and El-Sakhawy, M. (2000). Thermal behaviour and infrared spectroscopy of cellulose carbamates. Polymer Degradation and Stability, 70: 347-355.

[27]. Lin, N., Huang, J., Chang, P.R., Feng, J., and Yu, J. (2011). Surface acetylation of cellulose nanocrystal and its reinforcing function in poly(lactic acid). Carbohydrate Polymers, 83, 4(1): 1834–1842.

[28]. Tingaut, Ph., Eyholzer, Ch., and Zimmermann, T. (2011). Functional Polymer Nanocomposite Materials from Microfibrillated Cellulose, Advances in Nanocomposite Technology, Hashim A. (Ed.), 2011, DOI: 10.5772/20817.

[29]. Zhang, W., Zhang, X., Liang, M., and Lu, C. (2008). Mechanochemical preparation of surface-acetylated cellulose powder to enhance mechanical properties of cellulose-filler-reinforced NR vulcanizates. Composites Science and Technology, 68: 2479-2484.